E.卢瑟福

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卢瑟福,E. 英国物理学家

  卢瑟福,E.汉语拼音:Lusefu;英语:Rutherford, Ernest;1871-08-30~1937-10-19),英国物理学家。生于新西兰南岛纳尔逊南郊,卒于英国剑桥。18岁获得新西兰大学坎特伯雷学院奖学金,在该校获得学士和硕士学位。1895年入剑桥大学卡文迪什实验室,成为J.J.汤姆孙的研究生。1898年加拿大蒙特利尔麦吉尔大学聘任他为麦克唐纳教授。1907年他回英国担任曼彻斯特大学实验物理学教授。1919年应邀到剑桥接替退休的J.J.汤姆孙,担任卡文迪什实验室主任。1925~1930年当选为英国皇家学会主席。1931年受封为纳尔逊男爵。卢瑟福对物理学的重要贡献是发现放射性元素的衰变和提出原子有核模型。

  放射性 1896年他先同J.J.汤姆孙、后又独自研究X射线束在空气中产生电离的现象。1898年A.H.贝可勒尔发现铀自动发射出一种新的穿透性很强的辐射之后,他的研究工作就转移到这一新领域,并且发现铀放射性辐射中两种成分:一种是能使大量原子电离但易被吸收的辐射,称之为α辐射;一种是产生较少电离但穿透力颇强的辐射,称之为β辐射(后来证实为电子流)。

  1900年,卢瑟福在蒙特利尔发现钍及其化合物衰变成一种气体,接着再衰变为一种未知的放射性淀积物。1902年他与青年化学家F.索迪共同研究重元素(镭、钍、锕三族)自发蜕变理论,即放射性原子通过放出α粒子或β粒子而自发地衰变成另一种放射性元素的原子。这理论打破了原子不可再分的观念,开拓出物理学中一个全新的分支学科,即放射学。1903年他从气体放电实验中证明α粒子可被电磁场偏转,由偏转方向可证明它为带正电的粒子,又测定了它的速率和荷值比。1908年正式确定它就是氦(核)。同年,由于在放射性研究方面的杰出贡献,卢瑟福获得诺贝尔化学奖。他的研究开拓了原子物理学原子核物理学的新领域,所用的研究方法也是后来发展的放射化学核化学的先导。1904年他总结了放射性产物链式蜕变理论,奠定了重元素放射系元素移位的基本原理。他还提出根据放射性估算地球年龄的方法,论证了开尔文单就太阳重力收缩计算地球年龄的结论是错误的。

  卢瑟福散射和原子结构 卢瑟福到曼彻斯特后,已在那里工作的德国物理学家H.盖革在他的建议下,发明了盖革计数管。1909年,盖革和他的助手E.马斯登第一次观测到α粒子束透过金属薄膜后在各方向上散射分布的情况,并且出现少数意料不到的大角度散射。卢瑟福感到这一结果同汤姆孙所发展的开尔文原子模型有矛盾,进而用α粒子散射实验探察原子内部结构。这个研究不仅导致他发现了卢瑟福散射公式,而且在1911年提出有核的原子结构模型:原子有带正电的核,原子重量集中在核上,核半径小于10-12米,核的周围是带负电的电子,且绕核沿稳定轨道转动,在动力学上保持平衡。虽然这个模型尚待完善,但却是开创了原子核物理学的新领域。

  人工核反应 第一次世界大战期间,卢瑟福承担与战事有关的研究,寻求探测追踪潜水艇的方法,但仍继续核实验研究。1919年他用α粒子轰击氮原子,结果氮原子转化为一个氧原子和一个氢原子。标志着人类第一次实现了改变化学元素的人工核反应——元素的人工嬗变,而且宣告了核能研究的新时代。

  1921~1924年,卢瑟福和J.查德威克已经证实,从原子序数为5的硼到原子序数为19的钾,除碳和氧之外,所有的元素都有类似的核反应,即捕获1个α粒子放出1个质子而转化为下一号元素。在此期间卢瑟福预言了重氢中子的存在。1934年,他和他的合作者们用氘核轰击氘,产生了氚,从而首次实现了核聚变反应。

  卢瑟福擅长用非常简单的仪器作出一系列辉煌的发现。在教学上领导和培养了两代物理学家,其中有诺贝尔奖获得者。他在继J.J.汤姆孙之后又一次使卡文迪什实验室人才云集,成为物理学研究的重要中心。尤其在第二次世界大战之前,他曾帮助过上千名逃离德国的科学家。